设计技巧：设计简易的隔离式偏压电源

作者：Robert Kollman，德州仪器

本文将探讨如何以最少零件、最低复杂度及最节省成本的方法，针对闸极驱动、隔离感测与通讯电路，设计隔离式电源供应电路。当输入电压较低，而且电路通电时允许少许(5%) 电压偏差，就能够使用这种电路。

图 1 的例子示范了专为简易隔离式偏压电源所开发的 IC，任何允许下沉操作（sink operaton）的同步降压电路均可使用。这种电路称为非对称半桥返驰电路 (asymmetrical half-bridge flybuck) ，其运作方式与同步降压稳压器相当类似。连接输入电压的 FET 图腾柱 (totem pole) 输出会供应电感电容滤波器。接下来透过分压器 (voltage divider) 及误差放大器负输入调节滤波器输出。误差放大器会控制 FET 图腾柱 (totem pole) 输出的负载周期，使 DC 电压维持在感测点 (sense point)。

C6 的电压相当于负载率 (duty factor) 乘以输入电压。和降压功率级一样，电感的伏秒 (voltage-second) 必须等于零。但此电路在电感加入一个耦合绕组 (coupled winding) ，并且使用二极管修正低位 FET 启动时所反射的电感电压。由于这段期间的电感电压等于输出电压，因此电路的输出将获得调节。不过一次侧及二次侧的电压降幅差异将降低调节的效果。在此电路中，负载的电压调节将受到二极管 D1 正向电压降幅的影响，若将二极管改换成 FET，即可提升负载调节的效果。



图 1：同步降压电路提供隔离式电源供应

和耦合电感 SEPIC 一样，此拓朴的寄生组件也会影响电路性能。在导通时间内，电路状况相当良好，大部份的电流都流入耦合电感 T1 的磁化电感，使 C6 充电。输出电容 C3 则供应负载电流。不过，在关闭期间，两个电容将透过电感的耦合绕组平行放置。这两个电容具有不同的电压，只有回路中的寄生组件会限制两者之间的电流。这些寄生组件包括这两个电容的 ESR、耦合电感的绕组电阻、低位 MOSFET 与二极管的阻抗，以及耦合电感的漏损电感。

图 2 显示不同漏损电感值的模拟电流。上半部为 T1 一次侧的电流，下半部为输出二极管 D1 的电流。紧密耦合电感 10 nH 与松散耦合电感 1 uH 的漏损电感各不相同。对于紧密耦合电感，峰值电流较高，也受到回路阻抗的实质限制。

对于松散耦合电感，峰值电流较低。较高的漏损可减少 RMS 电流，有助于改善电源供应的效率。图 2 显示两者的比较。松散耦合电感的电流最多可减少 50%，可减少少数组件的耗损达 75%。松散耦合的缺点是输出电压的调节不佳。



图 2：低漏损增加循环电流

图 3 显示如图 1 的转换器所呈现的负载调节结果。如果负载电流受限制，在大部分的情况下，此转换器将提供足够的调节。在轻负载时，可看出二极管接面电压变化及振铃的影响。可能需要最小负载或 Zener 箝位，才能降低这些轻负载效应。在重负载时，电路的寄生组件会降低调节的效果。因此减少组件数有助于提升效果。例如，将二极管改换成同步切换，将大幅提升负载调节。

总而言之，返驰式（Flyback）转换器是相当具吸引力的拓朴，能够提供低成本且简单的隔离式电源供应，承受输出5% 至 10% 的电压变化。二极管整流器在 5V 下的输出效率能够维持80% 的良好状态，而且同步整流器的状态也将更为改善。



图 3：返驰负载调节在大多数情况下均良好

总而言之，返驰式（Flyback）转换器是相当具吸引力的拓朴，能够提供低成本且简单的隔离式电源供应，承受输出5% 至 10% 的电压变化。二极管整流器在 5V 下的输出效率能够维持80% 的良好状态，而且同步整流器的状态也将更为改善。

Reference
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Chen and Chen; “Small-Signal Modeling of Assymetrical Half-Bridge Flyback Converter,” IPEMC 2006.